暗物质的起源

Azureness

[size=0.8em]Mark Vogelsberger

生命的起源是科学中最大的谜团之一。即便是对生命的定义，也有广泛的争议。但是有一件事是所有人都接受的：生命的出现，需要有复杂的分子。这是因为生命是一种奇妙而复杂的现象：它会从环境中汲取能量，会自我复制，会在自然选择中演化。复杂的生化机制需要有复杂的原材料。

宇宙大爆炸本身给不了生命什么。它太热了，密度太高了，膨胀得也太快了，无法形成任何复杂的东西。因此是什么原因导致宇宙从简单开始，变得能够容纳生命这样复杂的存在？答案是“暗物质”。假如我们把宇宙中的暗物质拿掉，其余结构和初始条件保持一样，就无法理解生命这样复杂的现象是如何演化出来的。标准宇宙学中神秘如斯的暗物质，对生命来说却是绝不可少的。

宇宙大爆炸为我们提供的是一碗“清汤”，在这碗汤里，一切物质都是由氢和氦构成的离子气体。没有大原子，更没有分子和行星。假如故事到此为止，那么我们这个宇宙绝对是一个相当乏味的宇宙。氢和氦构成不了什么复杂的形式。我们没有办法用其制造能够自我复制的细胞，更不用说恐龙或直立行走的猿类。但是快进138亿年后，宇宙中复杂的结构形式已经无所不在，星系中满是行星，而且至少有一个行星出现了碳基生命。

假如宇宙大爆炸只产生了氢和氦，这一切都不会发生。感谢宇宙同时又制造出了另一种物质，一种我们在元素周期表上找不到的物质：暗物质。暗物质之所以重要，是因为它能产生引力。虽然它不反射光，也不和普通物质发生强的相互作用，但它有质量。重要的是，宇宙暗物质的含量是普通物质的五倍。没有暗物质的引力作用，我们将不复存在。

恒星能合成比氢和氦更重的元素，而暗物质促成了恒星的形成。今天，包裹着星系的暗物质对重新俘获被超新星抛射到星系际空间的元素也起到了根本性作用。暗物质能够让这些元素重新回到星系内，在这里它们才能被新的恒星、行星和生命利用。

[size=0.8em]我们所在的星系——银河系。有了暗物质，它才得以形成。NASA

现代宇宙学告诉我们，宇宙是被两种神秘的物质和能量支配着的——暗物质和暗能量——是它们，在一场史诗般的战役中，造就了我们今天的宇宙。

暗物质扮演的角色是“创造者”：它的引力把宇宙的各部分向回拉，在此过程中形成了星系。而暗能量所做的一切恰好相反。它在和坍缩对抗的过程中，推动着宇宙以越来越快的速度膨胀。幸运的是，对我们来说，暗物质在宇宙的大部分时间内获得了胜利，特别是所有重要的早期阶段。假如没有暗物质的引力作用，我们所在的星系——银河系将永远无法在宇宙大爆炸后的膨胀过程中坍缩形成。那样的话，现在既没有太阳，也没有地球，更没有你我。

大约140亿年前，当大爆炸产生那锅由氢、氦和暗物质构成的清汤时，一切都在膨胀中。那时，出现复杂结构的条件尚不具备。在一个只有一大群飞来飞去氢原子的宇宙中，原核生物是无法出现的。

但是并不是所有地方都在膨胀。虽然比平静的海面还要光滑，那时候的宇宙从一开始就不是完全没有瑕疵的。0.001%的密度不均匀导致引力开始起作用。那些密度较大，物质较多的地方，慢慢地积累起越来越多的物质。在此期间，暗物质起了关键作用：它提供的额外质量使宇宙结构成长得更快。暗物质团块在一开始也比普通物质多，这是出于另一个原因：它不和光发生作用。大爆炸产生了大量眩目的光子，它们在质子中不断散射，使其分布趋向均匀。这个过程导致原本已经相当均匀的普通物质分布更加均匀。但是光无法在暗物质中散射，所以暗物质的分布保留了相对更大的团块，最终在这个尺度上促成了星系的形成。

假如一开始没有暗物质，那么原始结构的尺度会更小，使微小的不完美成长起来的引力也更小。最终形成的宇宙将是完全不一样的。如果当初暗能量获胜，那么它将阻止新的结构产生，今天我们所知的星系也不会存在。所以事实恰恰相反，引力会把越来越多的暗物质慢慢聚集到一起，从而导致该处的密度逐渐变大。虽然宇宙仍然在膨胀，但是这些聚集在一起的额外质量最终挣脱了出来，暗物质和气体开始在自身的引力作用下坍缩，星系开始在暗物质聚集的地方形成。

[size=0.8em]宇宙学模拟显示暗物质是如何慢慢成长为团块的。Andrey Kravtsov

星系在何处形成，是受这些坍缩的暗物质——暗物质晕支配的。星系中的恒星可以将氢和氦转变成更重的元素，如碳、氮、氧等地球生命的基本元素。但是一旦大质量恒星爆发成超新星，它们会把这些关键元素驱逐到星系以外。它们的运动速度可以高达每秒数百公里，因此假如没有巨大的暗物质晕，没有暗物质引力“茧”的束缚，它们可能会永远离开星系。

包裹着星系的暗物质能把大部分超新星抛射物质带回星系内，从而使下一代的恒星和行星可以加以利用，否则它们将逃离星系，进入星系际空间。慢慢地，星系中的重元素越来越丰富，星系越来越肥沃，形成了一个含有重原子甚至复杂有机分子的星系生态系统。假如没有银河系暗物质晕的帮助，我们的家园地球，我们的这块坚实的土地，以及我们地球上的液态水，可能永远也不会出现。

在这140亿年间，在暗物质的驱动下，宇宙的复杂性越来越高。但是暗物质当初的胜利来得太容易。如果预测正确的话，情势将会逆转。和暗物质相比，在更大的时间尺度上，暗能量要强大得多。从长远来看，暗物质注定会在这场战斗中失利。当宇宙的年龄达到当前的几倍后，所有新星系的形成将会停止。

由于暗能量的胜利不可避免，我们宇宙的复杂性可能已经到达巅峰。从未来的某一时刻起，星系中将不再有能够形成恒星的新燃料，新的恒星无法继续形成。从好的方面来看，我们应该庆幸自己生在宇宙的黄金时代。在恒星形成率跌到微不足道之前，我们的宇宙中将充满重原子和复杂分子。对生命来说，现在兴许是高歌一曲的最好时机，也是仰望星空苦苦思索自己来自何处的最好时机。

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